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1、深空探测核电推进技术发展李文峰，张天平兰州物理研究所 甘肃省兰州市94号信箱 730000摘要 核电推进系统即把核裂变、核聚变、放射性同位素衰变、反物质湮灭等过程产生热能转化为电能并提供给电推力器以产生推力的系统。核电推进为低推力高比冲推进，核反应堆、放射性同位素发电机的高功率密度特性和电推进的高效率特性组合，使得核电推进技术正在成为人类进行更有效深空探测的支撑技术。本文在调研国外核电推进技术发展和空间系统应用情况的基础上，从核电推进的基本概念、放射性同位素电推进技术、核裂变反应堆电推进技术等方面系统介绍了核电推进技术的发展历史、技术现状和未来应用等情况，并简要展望了我国发展核电推进技术的前景
2、。关键词 核电推进技术，深空探测，放射性同位素，核裂变反应堆1 引言深空探测的主要动力包括太阳系的形成和生命的起源问题，深空探测对推进的要求包括具有输送不断增加载荷到更远距离的能力，缩短输运周期，发射不依赖行星位置状态、在目的地或多个目的地完成机动性能。而事实上，太阳系外行星和火星表面探测历来受制于能源缺乏问题，传统长寿命航天器的能源供应采用太阳能技术，随着航天器离开太阳距离的增加，这一能源的效率快速降低。同时，外行星的遥远距离使得探测航天器的使命周期长达10年以上，更高能量的运载器虽然可以缩短旅途时间，但费用昂贵、效率低下，对有些遥远外行星的轨道环绕观测，如果没有更加有效的方法，根本无法实现
3、。核能是人类已知的具有最高可利用能量密度的能源，产生核能源的方式包括放射性同位素衰变、核裂变反应、核聚变反应、反物质湮灭等四种，在空间运输系统中利用这些核能源以形成航天器推进能力的方式包括核热推进、核电推进、核爆炸推进等，其中基于放射性衰变和核反应堆的核热和核电推进技术已经具备了较高的技术发展水平。核电推进系统把核裂变、核聚变、放射性同位素衰变、反物质湮灭等过程产生热能转化为电能并提供给电推进系统，相对核热或化学类型的高推力低效率推进，核电推进为低推力高比冲推进，核反应堆、放射性同位素发电机的高功率密度特性和电推进的高效率特性组合，使得核电推进应用星际距离使命具有显著优势，基于核裂变反应堆的核
4、电推进技术正在成为人类进行更有效深空探测的支撑技术。2 深空探测与核电推进2.1 核电推进系统概况核电推进系统的本质是核能源系统与电推进系统的有机组合，也就是利用核能驱动电推进工作的系统，这种驱动是间接的，因为需要进行核能与电能的转换过程，图一为核电推进系统的基本组成框图。图一 核电推进系统的基本组成核电推进系统产生核能的基本形式有四类：放射性衰变核能、裂变反应核能、聚变反应核能、反物质湮灭核能，目前的技术发展主要集中在前两类。四种产生核能方法的典型例子分别为：核电推进系统的能量转换方式的选择有静态还是动态之分，静态包括热电、热离子和热光电等，产生直流电，动态包括Rankine循环、Brayt
5、on循环和Stirling循环等，产生交流电，动态转换方式的效率要比静态方式高。核电推进系统的电推进类型包括离子电推进、霍耳电推进、磁等离子动力电推进、可变比冲磁等离子体电推进、脉冲感应电推进、脉冲等离子体电推进、场发射电推进、胶体电推进等。2.2 深空探测对核电推进的需求图二左边所示为各种主要推进系统的功率水平和工作周期情况，右边所示为太阳系各大行星离太阳距离和太阳光强度变化情况，基于核裂变反应堆和放射性同位素能源的空间推进系统以它们独特的空间应用性能优势，正在受到越来越多的重视。分析表明，核电推进能够显著增加有效载荷、降低发生运载需求，对有些外行星使命还可以缩短旅途时间。例如，核能转化为电
6、能，可以省去航天器的太阳翼，因为对木星以外行星的探测航天器，太阳翼的尺寸需求将大到不合实际的程度；又如，核能可以为火星表面任意位置的探测器提供电能和热能，而太阳阵能源仅在火星赤道和低纬度区有效。总之来说，核能源能够极大促进对太阳系遥远区域的多目标探测，核能源和核推进也是未来火星载人使命的需求技术。图二 核电推进系统的基本组成深空探测航天器应用核裂变反应堆和放射性同位素热电发电系统的主要优点包括：1）可以连续工作而不依赖太阳方位和距离。对深空探测来说具有充足能源始终是本质性的技术挑战，对外行星探测使命而言，由于太阳能量密度的严重下降，太阳电池和太阳动力变得不现实，核动力和推进系统是目前最好的选择
7、。2）在太阳功率密度很小或太阳动力不连续的场合提供动力。地球阴影环境和极区使命因为能量产生和贮存问题而变得困难，月球两极坑、火星高纬度区太阳能技术无法应用，核电动力可以摆脱这些束缚或限制。3）长期工作（几年到十年）在数毫瓦到数百千瓦功率。图三为太阳系外行星探索需要的使命周期与速度增量及推进功率之间的关系，可见化学和太阳电推进最多只能实现木星的飞过而不能实现轨道环绕，而75250千瓦电功率的核裂变电推进系统，基本可以满足大多数410年时间的外行星探测使命需求。图三 外行星使命推进的周期、速度增量与功率需求4）工作在恶劣环境（辐射、气候、磁）。阴影和强自然辐射环境使得太阳电系统无法适应，带电离子和
8、中子对太阳电池的辐射损伤（带电、晶格变化），使得电流电压特性严重衰减。核动力和推进系统可以较好适应这些恶劣环境。5）在有限运载下提高推进剂效率而把更多载荷送达目的地。增加推进系统的效率可以直接增加有效载荷，低比质量（质量功率比）的核电推进系统可以相对化学推进系统增加有效载荷，对需要较大速度增量的远外行星甚至太阳系外使命核电推进系统也能够提供足够的加速时间。6）可以采用直接轨道，避免使命设计中星体引力援助的复杂耦合。化学推进或太阳电推进航天器到达外行星或更远目标需要大量的推进剂和行星引力辅助才能完成化学使命，行星引力援助本质上是一种辅助推进，需要花费时间，并且对外行星使命发射窗口存在限制。核电推
9、进就不一定需要行星引力援助，可以不受发射窗口影响。7）缩短到达目的地的周期。星体高引力环境下，需采用螺旋（盘旋）轨道克服局部高引力并补偿低加速度，当目的地距离到外行星使命时，随距离增加采用更直接的轨道可以使使命周期降低。8）提供安全、轻质量、长寿命热源。核裂变反应堆和放射性同位素的一次能源都是热能，可以直接使用。9）给目的地轨道机动提供动力和推进。到达目的地的轨道或从一个到另外一个目的地的机动能力对扫描观测行星表面非常必要，包括轨道平面、高度和偏心率的改变。10）提供空间探索新方法。例如，行星及星卫增强型被动观测或提供主动实验的科学载荷需要功率几百到数千瓦，包括电波探测（雷达）试验、先进光谱学
10、、多光谱成象、现场高分辨、高速数据通信等组合成套载荷，核电动力系统可以提供科学载荷需要的高功率水平。3 放射性同位素核电推进技术发展情况在放射性同位素电源方面，美国能源部（DOC）从1961年开始为空间应用提供放射性同位素发电机，该发电机把钚238衰变产生的热能直接转换为航天器用电能，转换采用热电元件的Seebeck效应，为静态转换系统，具有简单和高可靠特点。截止2004年DOC提供了44个放射性同位素发电机，240个放射性同位素加热器，涉及26个（次）航天器型号，在阿波罗（Apollo）、海盗（Viking）、先驱者（Pioneer）、导航者（Voyager）、伽里略（Galileo）、卡西
11、尼（Cassini）等深空探测使命中已经成功和安全地应用了放射性同位素发动机（RTG）。截止目前还未出现因发电机失效造成使命失败情况。DOC的发电机功率从最早的2.7瓦增加到现在的290瓦，除了系统功率增加外，还采用其它热电转换技术以提高效率。另外发电机的安全性也得到了验证，特别是在子午仪-5BN-3发射失败、雨云-B-1（发射后放弃摧毁）、Apollo13（放弃登月返回地球）等3次事故中没有发生同位素泄漏和污染。目前，放射性同位素温差发电器的设计与制造在美国已日臻完善。热电转换效率由早期的4%上升到8%，电功率由开始应用时的2.7W提高到近千瓦级水平，比功率也由1.48W/kg增加至5W/k
12、g。40多年航天器的飞行证明，RTG由于不需要外部能源，在服务期内能全部自给，成为现有电池中寿命最长、最为可靠的空间能源。例如2艘“先驱者（Pioneer）”飞船运行已超过20年。在以往飞行的极端环境条件下，RTG尽管遇到了如木星周围的高辐射带、月球上的极端温度和火星上的严重尘暴，仍能正常工作。苏联在20世纪60年代也开始了自己的空间核电源计划，但是采取的技术路线与美国有所不同。1965年在空间首次使用了210Po同位素电池，作为军事通讯卫星“宇宙-84”和“宇宙-90”的星载设备。1969年和1971年又使用了具有800W功率的210Po加热器作为“月球车-1号”和“月球车-2号”的加热部件
13、。之后，苏联在空间未使用RTG。俄罗斯为了完成对火星进行综合研究的国际“火星-96”计划，而发展空间RTG显然具有现实性，因此又再一次受到重视。1996年11月16日俄罗斯发射的“火星-96”飞船使用了4台238Pu电池，“火星-96”飞船于1996年11月18日坠落在南太平洋海域。尽管“火星-96”发射未取得成功，但以此为起点，他们研究了供“小型自动观察站”（由轨道飞行器发射至火星表面）设备加热用的“天使号”（Angel）238Pu热源（热功率8.5W）和供仪器运转以及处理和发送信息用的RTG（电功率200mW和400mW）。这表明俄罗斯已完成了作为空间目的使用238Pu-RTG的开发工作，
14、制造的飞行样品可满足国家和国际的辐射安全要求。与空间放射性同位素电源配套的电推进系统主要是静电离子电推进、静电霍耳电推进。美国格伦研究中心（GRC）正在研制目标性能为250W、50%效率、总质量小于3公斤（推力器和供配电子系统）的8厘米离子推力器系统，已经完成了实验室模型和工程模型。4 核裂变反应堆核电推进技术发展情况1951年美国空军建议原子能委员会开始了卫星用反应堆能源研究工作，到1953空军司令部直接开始进行卫星辅助核电源设备可行性研究，以前的研究全部并入空间核辅助能源（SNAP）计划，于1965年发射了SNAP-10A核裂变电功率系统，开始工作一段时间后，由于系列虚假电信号而关闭，SN
15、AP-10A同时进行了铯离子电推进飞行实验，虽然SNAP电源成功工作了43天，但推力器仅工作不到1h就永久关闭。中间经过大约10多年的停滞后，美国于1979年开始了空间能源先进反应堆（SPAR）计划，1983年开始了由NASA、国防部（DOD）、能源部（DOE）联合参与衍生于SPAR计划的SP-100计划，目标是发展能够提供10年工作周期内7年满功率数十到数百千瓦电源的核电技术，应用包括军事和民用。SP-100计划在理解发展空间反应堆能源系统技术需求方面取得了很大进展，但在没有实现计划飞行前于1992年取消。1989年随布什的空间主动探索计划，再次引起了包括核技术的空间能力技术热情。2002年
16、美国行政部门倡议了发展深空探测推进与动力的核空间促进（nuclear space initiative）计划，包括发展未来行星使命的新型同位素发电机（RTG）和核反应堆发电机（NEP），1年后由NASA组织落实了普罗米修斯（Prometheus）计划，该计划为2009年火星表面实验室应用的新型RTG和2015年左右木星冰卫轨道器（JIMO）使命应用的核电推进系统，如图五所示。2003年Prometheus计划支持了JIMO使命核电推进用离子推力器，裂变电源功率从一千瓦到数百千瓦。2004年4月21日，NASA官员对美国国会拨款委员会证实，发展核电源和推进、人类在空间持续存在的研究将是美国国家空间探测计划的两个关键领域。图五 木星冰卫轨道器方案俄罗斯（苏联）主要发展核裂变反应堆系统，供雷达海洋侦察卫星（RORSAT）的空间电源均使用了温差电转换的快中子反应堆电源“Romaska”，电功率为0
